BAZI SÜBSTİTÜE PİRİDİN N-OKSİT TÜREVLERİNİN ASİTLİK VE BAZLIK DAVRANIŞLARININ TEORİK OLARAK İNCELENMESİ Erman YURTSEVEN YÜKSEK LİSANS TEZİ KİMYA ANABİLİM DALI ORGANİK KİMYA BİLİM DALI HAZİRAN 2006

BAZI SÜBSTİTÜE PİRİDİN N-OKSİT TÜREVLERİNİN ASİTLİK VE BAZLIK DAVRANIŞLARININ

TEORİK OLARAK İNCELENMESİ

Erman YURTSEVEN

YÜKSEK LİSANS TEZİ KİMYA ANABİLİM DALI ORGANİK KİMYA BİLİM DALI

HAZİRAN 2006

THEORETICAL STUDIES ON

ACIDITY AND BASICITY BEHAVIOURS OF

SOME SUBSTITUTED PYRIDINE N-OXIDE DERIVATIVES

Erman YURTSEVEN

MASTER OF SCIENCE IN CHEMISTRY

2006

BAZI SÜBSTİTÜE PİRİDİN N-OKSİT TÜREVLERİNİN ASİTLİK VE BAZLIK DAVRANIŞLARININ

TEORİK OLARAK İNCELENMESİ

Erman YURTSEVEN

Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisans Üstü Yönetmeliği Uyarınca

Kimya Anabilim Dalı Organik Kimya Bilim Dalında

YÜKSEK LİSANS TEZİ Olarak Hazırlanmıştır

Danışman: Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZÖĞÜT

Haziran 2006

Erman YURTSEVEN’in YÜKSEK LİSANS tezi olarak hazırladığı “Bazı Sübstitüe Piridin N-Oksit Türevlerinin Asitlik ve Bazlık Davranışlarının Teorik Olarak İncelenmesi” başlıklı bu çalışma jürimizce lisansüstü yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.

….../..../ 2006

Üye: (Danışman) Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZÖĞÜT

Üye:

Üye:

Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu'nun ... gün ve ...

sayılı kararıyla onaylanmıştır.

Prof. Dr. Abdurrahman KARAMANCIOĞLU Enstitü MÜDÜRÜ

ÖZET

Bu çalışmada bazı piridin N-oksit türevlerinin termodinamik özellikleri MOPAC2002 programında AM1, PM3 ve PM5 yarı deneysel yöntemleri ile hesaplanmıştır. Teorik olarak hesaplanan verilerle deneysel veriler arasındaki uyum değerlendirilmiştir.

Çalışılan moleküllerin yarı deneysel yöntemler ile teorik olarak hesaplanan asitlik sabitleri ( pKa), proton ilgileri (PA), sübstitüent sabitleri (δ) ve nükleofillikleri (n) ile deneysel olarak bulunmuş asitlik sabitleri ve sübstitüent sabitleri arasında bir uyum olduğu gözlenmiştir.

Piridin N-Oksit türevlerinin literatürden bulunan deneysel verilerine (Chmurzyinski. L., 1998) karşılık Mopac2002 (AM1,PM3,PM5) yarı deneysel yöntemleriyle elde edilen değerler için grafikler çizildiğinde sıvı ve gaz fazda AM1 metodunun diğerlerine göre daha iyi sonuçlar verdiği gözlenmiştir.

SUMMARY

In this work , thermodynamic properties of some pyridine N-oxide derivatives were calculated theoreticaly using AM1, PM3, PM5 semi-empirical methods in MOPAC2002. The parellelism between theoretical and experimental and results were discussed.

It has been observed that the parellelism between the acidity constants (pKa), proton affınities (PA), substituent constants (δ) and nucleofilicilies (n) the pyridine derivatives which were calculated on the computer using semi empirical methods and acidity constants. Substituents constants which were found by experimental methods.

Instead of to the experimental values collected from literature (Chmurzyinski L., 1998) for pyridine N-oxide derivates, it was determined that AM1 methods supplies better values in liquid and gas phases rather than when the graphic is occured with the values obtained Mopac2002 (AM1, PM3, PM5) half-experimental methods.

TEŞEKKÜR

Tez çalışmalarına başladığım günden bu yana bana vakit ayırarak her konuda ilgi ve desteklerini esirgemeyen sevgili hocalarım Sayın Prof. Dr. Cemil ÖĞRETİR’e , danışman hocam Sayın Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZÖĞÜT’e ve Arş. Gör. Taner ARSLAN’a tüm katkılarından dolayı sonsuz şükranlarımı sunarım.

Yardımlarını benden hiçbir zaman esirgemeyerek, tez çalışmam süresince bana bilgi ve becerileri ile destek olan her zaman yakın desteğini yanımda hissettiğim sevgili dostlarım Metin LAFCI ve Ozan ÖZDİNÇER’ e sonsuz teşekkürler ederim.

Çalışmalarım sırasında beni her konuda destekleyen, motive eden annem başta olmak üzere tüm aileme ve arkadaşlarıma sonsuz teşekkürler…

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET………..………...iv

SUMMARY………..………...v

TEŞEKKÜR………..………..vi

ŞEKİLLER DİZİNİ……..………..ix

TABLOLAR DİZİNİ..………xi

SİMGELER DİZİNİ……..………...xiii

1.Giriş...1

1.1 Piridin N–Oksit ve Bazı Türevlerine Ait Deneysel Çalışmalar ...3

1.1.2 Piridin N-Oksit ve Türevlerinin Hazırlanması ...4

1.1.3 Piridin N-Oksit ve Türevlerinin Deneysel pKa Değerleri ...13

2. ASİTLER ve BAZLAR...15

2.1. Arhenius Asit-Baz Tanımı ...15

2.2. Lowry-Bronsted Asit-Baz Tanımı ...16

2.3. Lewis Asit-Baz Tanımı ...18

2.4. Asit ve Bazların Kuvvetliliği: Ka ve pKa...20

2.4.1. Asitlik Sabitleri ...20

2.4.2. Bazlık Sabitleri...23

2.5. Asitlik ve Bazlık Sabitlerini Etkileyen Faktörler...23

2.5.1. Çözücü (solvent) Etkisi...24

2.5.2. Elektronegatiflik ...24

2.5.3. Hibritleşme Etkisi...26

2.5.4. İndüktif Etkiler...27

2.5.5. Rezonans Etkiler ...28

2.5.6. Sterik Etkiler...30

2.5.7. Büyüklük ...31

İÇİNDEKİLER devam Sayf a

2.6 Asitlik Sabitlerinin Kullanım Alanları ...32

2.7. Nükleofil ve Baz ...32

2.8. Denge Sabiti (K) ve Standart Serbest Enerji Değişimi ∆G° Arasındaki İlişki...34

2.9. Hammett Eşitliği ve Kullanımı...35

3. TEORİK KİMYADA KULLANILAN HESAPLAMA YÖNTEMLERİ ve BİLGİSAYAR PROGRAMLARI ...39

3.1. Teorik Hesaplama Yöntemleri...39

3.2. Bilgisayarla Kimya Hesaplamaları ...40

3.2.1. Moleküler Mekanik ...41

3.2.2. Elektronik Yapı Yöntemleri ...42

3.2.2.1. Ab-Initio Yöntemler...42

3.2.2.2. Yarı Deneysel Yöntemler...43

3.2.2.3. Ab-Initio ve Yarı Deneysel Yöntemin Karşılaştırılması...46

3.3. MOPAC7 Paket Programının Özellikleri ...47

3.4. MOPAC 2002 Paket Programının Özellikleri ...47

3.4.1. Geometri Optimizasyonu ...49

3.4.2. Tepkime Yolları ...49

4. SONUÇ ve TARTIŞMA...50

4.1. Teorik İnceleme ve Hesaplama Metotları...53

5. ELDE EDİLEN VERİLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ...106

6. KAYNAKLAR DİZİNİ ...109

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil Sayfa

Şekil 1.1.1 Piridin N-Okside elektrofilik atak için atom lokalizasyon enerjileri

(6π elektronları)...2 Şekil 1.1.2.1 Piridin N-Oksit hazırlanması ... 4 Şekil 1.1.2.2 Ramakrishna tarafından geliştirilen piridin N-Oksit hazırlama yöntemi .... 9 Şekil 1.1.2.3 TS -1 katalizörü ... 12

Şekil 4.1 .1 Sı vı faz d a AM1 metod u il e h esapl an an p K_a değerlerinin deneysel pKa değerleri ile karşılaştırılmasına ait grafikler...60

Şekil 4.1.2 Sıvı fazda PM3 metodu ile hesaplanan pK_a değerlerinin deneysel pK_a

değerleri ile karşılaştırılmasına ait grafikler. ...61 Şekil 4.1.3 Sıvı fazda PM5 metodu ile hesaplanan pKa değerlerinin deneysel pK_a

değerleri ile karşılaştırılmasına ait grafikler. ...62 Şekil 4.1.4 Sıvı fazda AM1 metodu ile hesaplanan σ değerlerinin deneysel σ değerleri ile

karşılaştırılmasına ait grafikler. ...65 Şekil 4.1.5 Sıvı fazda PM3 metodu ile hesaplanan σ değerlerinin deneysel σ değerleri

ile karşılaştırılmasına ait grafikler. ...66 Şekil 4.1.6 Sıvı fazda PM5 metodu ile hesaplanan σ değerlerinin deneysel σ değerleri

ile karşılaştırılmasına ait grafikler. ...67 Şekil 4.1.7 Deneysel pKa değerlerinin sıvı fazda AM1 metodu ile hesaplanan

nükleofıllik değerleriyle karşılaştırılmasına ait grafikler...70 Şekil 4.1.8 Deneysel pKa değerlerinin sıvı fazda PM3 metodu ile hesaplanan

nükleofıllik değerleriyle karşılaştırılmasına ait grafikler...71 Şekil 4.1.9 Deneysel pKa değerlerinin sıvı fazda PM5 metodu ile hesaplanan

nükleofillik değerleriyle karşılaştırılmasına ait grafikler...72 Şekil 4.1.10 Sıvı fazda AM1 metodu ile hesaplanan pKa değerleri ile sıvı faz

nükleofıllik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler ...73

ŞEKİLLER DİZİNİ devam

Şekil 4.1.11 Sıvı fazda PM3 metodu ile hesaplanan pKa değerleri ile sıvı faz nükleofillik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler. ...74 Şekil 4.1.12 Sıvı fazda PM5 metodu ile hesaplanan pKa değerleri ile sıvı faz

nükleofıllik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler...75 Şekil 4.1.13 Sıvı fazda AM1 metodu ile elde edilen azot atomu yükü (qN) ile sıvı faz

nükleofillik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler...76 Şekil 4.1.14 Sıvı fazda PM3 metodu ile elde edilen azot atomu yükü (qN) ile sıvı faz

nükleofillik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler...77 Şekil 4.1.15 Sıvı fazda PM5 metodu ile elde edilen azot atomu yükü (qN) ile sıvı faz

nükleofıllik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler...78 Şekil 4.1.16 Deneysel pK_a değerlerinin gaz fazda AM1 metodu ile hesaplanan

PA değerleri ile karşılaştırılmasına ait grafikler ...84 Şekil 4.1.17 Deneysel pK_a değerlerinin gaz fazda PM3 metodu ile hesaplanan PA

değerleri ile karşılaştırılmasına ait grafikler...85 Şekil 4.1.18 Deneysel pK_a değerlerinin gaz fazda PM5 metodu ile hesaplanan

PA değerleri ile karşılaştırılmasına ait grafikler ...86 Şekil 4.1.19 Gaz fazda AM1 metodu ile hesaplanan PA değerleri ile gaz faz nükleofilik

değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler...89 Şekil 4.1.20 Gaz fazda PM3 metodu ile hesaplanan PA değerleri ile gaz faz nükleofilik

değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler ...90 Şekil 4.1.21 Gaz fazda PM5 metodu ile hesaplanan PA değerleri ile gaz faz nükleofilik

değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler...91 Şekil 4.1.22 Gaz fazda AM1 metodu ile hesaplanan azot atomu yükü (qN) ile gaz faz

nükleofilik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler ...92 Şekil 4.1.23 Gaz fazda PM3 metodu ile hesaplanan azot atomu yükü (qN) ile gaz faz

nükleofılik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler ...93 Şekil 4.1.24 Gaz fazda PM5 metodu ile hesaplanan azot atomu yükü (qN) ile gaz faz

nükleofilik değerlerinin karşılaştırılmasına ait grafikler ...94 Şekil 4.1.25 Piridin N-Oksit türevlerinin açılarının geometrik olarak gösterilişi ... 95 Sayfa

TABLOLAR DİZİNİ

Tablo 1.1.2.1 %30 aqua H₂O₂ ortamındaki piridinlerin MTO katalizörü ile

yükseltgenmesi ...5

Tablo 1.1.2.2 Poli ve alkenil sübstitüe piridinlerin oksidasyon ... 7

Tablo 1.1.2.3 Elektron eksiltici gruplara sahip piridin N-Oksitlerin sentezi... 10

Tablo 1.1.2.4 Elektron verici gruplara sahip piridin N-Oksitlerin sentezi ... 11

Tablo 1.1.2.5 TS-1 katalizörünün 4-siyanopiridin N-Oksit eldesindeki kullanımı ... 12

Tablo 1.1.3.1 Protofobik aprotik çözcülerdeki protonlanmış sübstitüe piridin N- Oksitlerin pKa değerleri (298 °K)...13

Tablo 1.1.3.2 Protofilik aprotik çözücüler ve amfiprotik metanol çözücülerinde protonlanmış sübstitüe piridin N-Oksitlerin pKa değerleri (298°K)...14

Tablo 2.4.1.1 Bazı asit ve eşlenik bazlarının kuvvetliliği ... 22

Tablo 2.5.4.1 Elektron verici ve elektron çekici bazı gruplar ... 28

Tablo 2.9.1 Bazı sübstitüentli benzoik asitlerin pKa ve σ değerleri... 36

Tablo 2.9.2 Bazı sübstitüentlerin σ değerleri ... 38

Tablo 3.2.2.2 Yarı deneysel hesaplamalarda kullanılan yöntemler... 45

Tablo 4.1 Çalışmada kullanılan alkil sübstitüe piridin N-Oksit türevleri ... 52

Tablo 4.1.1 H₂O ve H₃O⁺’a ait MOPAC 2002 sıvı faz AM1, PM3 ve PM5 yarı deneysel yöntemleri ile elde edilen termodinamik veriler. ...54

Tablo 4.1.2 MOPAC2002 sıvı fazda AM1, PM3 ve PM5 metotları ile elde edilen değerler. ...56

Tablo 4.1.3 MOPAC2002 sıvı fazda AM1, PM3 ve PM5 metodu ile hesaplanan δ∆G_{f (BH+)} ve pK_a değerleri. ...58

Tablo 4.1.4 MOPAC2002’de AM1, PM3 ve PM5 metotları ile hesaplanan σ değerleri.64 Tablo 4.1.5 MOPAC2002 sıvı fazda AM1 PM3 ve PM5 metotları ile hesaplanan EHOMO,ELUMOve nükleofillik değerleri ...69

Tablo 4.1.6 MOPAC2002 gaz fazda AM1, PM3 ve PM5 metotları ile elde edilen değerler ...79

Sayfa

TABLOLAR DİZİNİ devam

Sayfa

Tablo 4.1.7 MOPAC2002 gaz fazda AM1, PM3 ve PM5 metotları ile hesaplanan proton afiniteleri (PA,kcal.mol^-1)...83 Tablo 4.1.8 MOPAC2002 gaz fazda AM1,PM3 ve PM5 metotları ile hesaplanan

EHOMO,ELUMOve nükleofillik değerleri. ...88 Tablo 4.1.9 Piridin N-Oksit türevlerinin MOPAC2002 AM1, PM3 ve PM5 metotları ile

hesaplanan dihedral açı değerleri ...96 Tablo 4.1.10 Piridin N-Oksit türevlerinin gaz fazda MOPAC2002 AM1, PM3 ve PM5

metotları ile hesaplanan dihedral açı değerleri...99 Tablo 4.1.11 Piridin N-Oksit türevlerinin MOPAC2002 AM1, PM3 ve PM5 metotları

ile hesaplanan bağ uzunluğu değerleri ...102 Tablo 4.1.12 Piridin N-Oksit türevlerinin MOPAC2002 AM1, PM3 ve PM5 metotları

ile gaz fazda hesaplanan bağ uzunluğu değerleri ...104

SİMGELER DİZİNİ

Simgeler Açıklama

Ĥ Hamiltonian İşlemcisi

Ψ Dalga Fonksiyonu

∆G Standart Gibbs Serbest Enerjisi

∆Hf Oluşum Isısı

∆S Entropi

Ka Asitlik Denge Sabiti

Kb Bazlık Denge Sabiti

pKa Asitlik Sabiti

pK_b Bazlık Sabiti

a Sübstitüent Sabiti

ρ Reaksiyon Sabiti

E Enerji

PA Proton İlgisi

1.GİRİŞ

Kaynama noktası 115°C olan ve kömürün pirolizinden elde edilen bazlardan birisi de renksiz bir madde olan piridindir (C₅H₅N). Molekül formülünden de anlaşılacağı gibi doymamış bir madde olmasına rağmen, katılma reaksiyonları yerine sübstitüsyon reaksiyonlarında yer aldığından dolayı benzene oldukça benzerlik gösterir.

Piridinin ve benzenin molekül yapısı incelendiğinde, benzendeki (CH) grubu yerini piridinde (N) atomuna bırakır. Piridinlerin bazlıklarının sebebi, nitrojen atomunun eşleşmemiş elektron çiftine sahip olmasıdır. Mikrowave spektrumu ile piridinin molekül yapısı incelendiğinde benzen gibi düzlemsel yapıya sahip olduğu fakat hekzagonal yapının biraz bozulduğu görülür (Palmer 1967).

N Benzen Piridin

Piridin ve benzen halkalarının şekilleri birbirine oldukça benzer olduğundan ve delokalize olmuş 6π elektrona sahip olduklarından molekül orbitallerinin enerji seviyeleri oldukça yakındır. Bu sebepten dolayı her ikisi de dalga boyları birbirine yakın ultraviyole ışığı absorbe ederler (benzen; 180, 203, 255-piridin; 175, 194, 251 mµ).

Piridin N-Oksitler bir piridin türevi olarak renksiz bir katı yapısındadır ve erime noktası 62-63°C’dir. Normalde katı halde olan piridinler açık havada bırakılınca sıvı hale geçerler. Elektrofilik ataktaki atom lokalizasyon enerjileri incelendiğinde; piridin N-Oksitler için, 2-, 3-, 4- pozisyonları o- ve p- nın reaktivitelerinin çok benzer olduğu görülmüştür. 2- ve 6- pozisyonları için halkaya yaklaşan katyon ve pozitif yüklenmiş halkadaki nitrojen atomu arasındaki itme ve sterik etki gibi faktörler yapılan hesaplamalarda göz önüne alınmamıştır. Fakat bu iki faktör 4- pozisyonunun 2- pozisyonuna göre daha baskın oluşunu açıklarken kullanılabilir.

Piridin N-Oksitte, elektrofilik atağın pozisyonu piridinin aksine elektrofil çeşidine ve reaksiyon ortamına göre değişir.

N H

X O

1

N

H X

O

2

N H X

O 3

N X

H

OH

4

2

N

H X

OH

2

OH X

H 2

5 6

Şekil 1.1.1 Piridin N-Okside elektrofilik atak için atom lokalizasyon enerjileri (6π elektronları)

1 2 3 4 5 6

2,38β 2,58β 2,44β 2,70β 2,58β 2,67β β= yaklaşık 50 kkal/mol

Yalnızca çok kuvvetli asitlerde oldukça yüksek miktarda protonlanır (Piridin N-Oksit için pK_a=0,79 dur). Kuvvetli asit çözeltilerinde düşük konsantrasyonlarda da olsa sübstitüsyon reaksiyonu gözlenebilir.

N OH

N O

N O PCl₃

N PCl₃

H+

+ POCl₃

Piridin halkasına nükleofilik atak elektrofilik ataktan daha kolaydır. Piridin N- Oksitler ve piridin tuzları halka yapıdaki nitrojen atomundan dolayı artan elektronegatiflikleri sayesinde oldukça aktiftirler.

Nükleofile karşı aktiflikleri sıralandığında;

Piridin tuzları > Piridin N-Oksitler > Piridinler (2- ve 4- pozisyonları 3- pozisyonuna göre çok daha aktiftirler.)

Ramakrisha vd. (2002) tarafından yayınlanan makalede, organik ara ürünler olarak kullanılabilen heterosiklik N-Oksitlerin hazırlanmasının sentetik organik kimyada ve ilaç kimyasındaki öneminden bahsedilmiştir. N-Oksitler fonksiyonel grupların iyi kullanılmasını ve yapısal modifikasyonları mümkün kıldığından anahtar bir role sahiptir. N-Oksitler genellikle heterosiklik bileşiklerin oksidasyonu ile elde edilir ve bunun için genellikle asetik asit, hidrojen peroksit (AcOH/H₂O₂), m- kloroperbenzoik asit MCPBA), mono peroksifitalik asit, dioksiranlar, hidrojen peroksit, Caro asidi (H2SO5) kullanılır.

1.1 Piridin N–Oksit ve Bazı Türevlerine Ait Deneysel Çalışmalar

Uygulamanın yer aldığı bu bölümde; ilk olarak piridin N-Oksit ve türevlerinin laboratuar koşullarında hazırlanmasına ve piridin N-Oksit ve türevlerinin deneysel pKa

değerlerinin bulunmasına yönelik literatür çalışması sunularak sulu ve susuz ortamlardaki piridin N-Oksit ve bazı türevlerinin deneysel değerleri incelenmiştir.

1.1.2 Piridin N-Oksit ve Türevlerinin Hazırlanması

Piridinden, piridin N-Oksit hazırlamak için Coperet vd. (1998) yeni, basit ve etkili bir metot göstermiştir.

N

R

N O

R MeReO₃( 0,5 mol%)

30% aq H₂O₂ 2-3 M in CH₂ Cl₂

verim 80-99%

Şekil 1.1.2.1 Piridin N-Oksit hazırlanması

Bu yöntemde 3-siyanopiridin eklenmesi %30’luk H2O2 içindeki terminal alkenlerin MTO (methyltrioxorhenium) tarafından katalizlenmiş epoksidasyonunu arttırmıştır.

Bu çalışmada ligantın 3-siyanopiridin N-okside yükseltgenmesinin reaksiyonun sonlarına doğru gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Alken olmadığı durumlarda ise iki eşdeğer H₂O₂’nin 0,5 mol MTO ile birlikte kullanılmasıyla , 3-siyanopiridinin %88 oranında kendi oksidine dönüşmesi sağlanmıştır. MTO’nun yokluğunda ise aradan günler geçmesine rağmen reaksiyonun gerçekleşmediği gözlemlenmiştir.

Piridinlerin kendi oksitlerine yükseltgenmesi için birçok yöntem bulunmakla birlikte, m-CPBA’nın yükseltgen olarak kullanılması en yaygın olanıdır. Bu gibi asit- baz prosedürleri, birçok piridin için oldukça güvenilir olmasına rağmen elektron eksikliği (electron deficient) olan piridinler için yeteri kadar güvenilir sonuçlar vermez.

Bu yeni yöntemde ise reaktivitesinin yüksek olası ile birlikte (>2M sübstratta),

%30 sulu H₂O₂ gibi çevre için zararsız bir yükseltgen kullanılmaktadır. Buna ek olarak bu yeni yöntemde sudan başka yan ürünler oluşmadığından çalışmalar daha kolay olmaktadır. N-Oksitler sentetik ara ürünler olarak çok önemlidirler. %30’luk sulu H₂O₂ içindeki piridinin MTO katalizörü ile yükseltgenmesi Tablo 1.1.2.1’de gösterilmiştir.

Tablo 1.1.2.1 %30 sulu H2O₂ ortamındaki piridinlerin MTO katalizörü ile yükseltgenmesi

N X N

X

N X

Sübstitüent (X)

94/24 (b) --

-- --

52/40 (b) --

--

90/24 (b) --

86/17 (c) 84/17 (c) 81/24 (c) 86/23 (d) 84/17 (d) 94/23 (d) --

92/24 (c) --

79/17 (c) 98/17 (c) 81/24 (c) --

82/5 (c) --

94/17 (d) 96/24 (d) 87/15 (c) Verim/saat Verim/saat Verim/saat CN

CO Me

2

Asetil F Cl Br

3-Penilpropil Me

MeO

b: %0,5 mol MTO kullanımı c: %0,5 mol MTO kullanımı d: %0,2 mol MTO kullanımı

3- ve 4- sübstitüe piridinlerin yalnızca % 0,2-0,5 mol MTO kullanılarak çok yüksek verim ile N-Oksitlerini oluşturmasına rağmen, 2-sübstitüe piridinler için yüksek verim elde etmek için daha çok katalizör gerekmektedir (%5 mol). Bu çalışmada, yüksek piridin konsantrasyonunun, reaksiyon hızını artırması beklenirken aksine katalizörü yok etmesi sebebiyle yavaşlattığı gözlemlenmiştir.

Coperet vd.’nin (1998) yapmış oldukları bu çalışmada, olefinlerin olmadığı bir ortam sağlandığında piridinlerin yükseltgenmesinde MTO’nun çok mükemmel ve uygun bir katalizör olarak kullanılabileceği saptanmıştır.

Piridin konsantrasyonunun %20-50 molden büyük olması durumunda epoksidasyon oluşmakta ve MTO katalizörü daha hızlı parçalanmaktadır. (Abu-omar vd., 1996). Polialkenil sübstitüe piridinlerin yükseltgenmesi Tablo 1.1.2.2’de gösterilmiştir.

Tablo 1.1.2.2 Poli ve alkenil sübstitüe piridinlerin oksidasyon

N

N

N

N

N

N

N N

N Cl Cl

N

Br Br

N

Cl Cl

Cl

N

NO₂

Örnek

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

MTO (% mol)

0,5

5

0,5

0,5

1

0,5

1

0,2

0,2

0,5

0,5

Zaman (saat)

5

12

3

15

4

3,5

12

17

25

41

24

% Verim

88

99

98

92

80;20(b)

85(c)

78(c)

94

82

89

99

b: epoksit oluşma % si c: epoksit oluşmaz

Bu bilgiler ışığında olefinik piridinlerin oksidasyon yerine epoksidasyona uğraması normal olarak değerlendirilmiştir (Tablo 1.1.2.2). 6 ve 7 no.’lu örneklerdeki gibi konjuge alken bağlanması durumunda epoksitler yerine oksidasyonun daha baskın olduğu gözlenmiştir. 8 ve 11 no.’lu örneklerde ise daha fazla elektron eksikliği olan piridinler de oksidasyon çok daha yüksek verimle gerçekleşmektedir.

Sonuç olarak MTO katalizörünün, yalnızca olefinli ortamlarda epoksidasyona yol açtığından dikkat edilmesi gereken, piridinlerin yükseltgenmesi için kullanılabilecek iyi bir katalizör olduğu anlaşılmıştır.

Son zamanlarda yapılan çalışmalarda ise yeni yöntemlerle ile heterosiklik N- Oksitler elde edilmeye başlanmıştır. Bu yöntemde kullanılan katalizör ve reaktifler MTO, ReO₃, Re₂O₇, HOReO₃, MeReO₃’dir. Bu Rhenium oksitler suya hassastırlar, suyun varlığında değişikliğe uğradıklarından tekrar kullanılamazlar. Rhenium yükseltgenme yönteminde kullanılan seyreltik H₂O₂ zayıf bir yükseltgen olmasına rağmen ucuz ve kolaylıkla temin edilebilen bir maddedir.

Ramakrishna vd. ise yaptıkları bu çalışmada N-Oksitlerin organik çözücüler olarak sentezlenmesini ve 24 saatlik bir zaman diliminde eldesini geliştirdikleri yeni yöntemle sağlamışlardır. Bu yeni yöntemde molekül seçici (sieve) katalizörler kullanılmıştır. Bu seçici moleküller, petrokimya sektöründe asidik katalizör olarak kullanılmakta ve diğer kimya dallarında aromatikler, heterosiklikler, alifatik aminler, eterler gibi özel kimyasal maddelerin sentezinde kullanılmaktadır.

Zeolit kimyasındaki son çalışmalar, redoks karakteri olan geçiş metal iyonlarının molekül seçici katalizörler olarak birleştirilmesi çalışmalarıdır. Bu çalışma katalizöre şekil yapı seçici yükseltgen olma özelliği katar. Titanyum, vanadyum, demir ve krom gibi redoks moleküller seçiciler, organik kimyada yükseltgenme olaylarında çok geniş bir uygulama ve kullanım alanı bulmuşlardır.

Ramakrishna vd. tarafından yapılan çalışmada sulu ve susuz ortamlarda heterosiklik N-Oksitlerin sentezinde. Redoks moleküller seçiciler yükseltgen, seyreltik H₂O₂ ise çözücü olarakkullanılmışlardır (Şekil 1.1.2.2).

N

R

N

R

O Katalizör / H O

MeOH/H O , 60 C

2 2

2

Şekil 1.1.2.2 Ramakrishna tarafından geliştirilen piridin N-Oksit hazırlanma yöntemi

Sulu ve susuz ortamlardaki, -CN. Cl. Vinil gibi elektron verici gruplar içeren sübstitüe piridinlerin oksidasyonlarının gerçekleştirilmesi ve sonuçlar Tablo 1.1.2.3 ve Tablo 1.1.2.4’de gösterilmiştir.

Tablo 1.1.2.3 Elektron eksiltici gruplara sahip piridin N-Oksitlerin sentezi

N CN

N

CN

N CN

N Cl

N O

OH

N CN

O

N

CN

N CN

O O

N Cl

O

N OH

O

N O

NH₂

O

N O

O

NH₂

N O

O NH₂

Zaman(saat)

25 (b) 2 (c)

25 (b) 2 (c) 25 (d)

25 (b) 2,5 (c) 3 (c)

24 (b) 2 (c)

24 (b) 2,5 (c)

Verim(%)

68,8+12,3 50,8+41,7

60,4+36,5 43,4+54,4 73,2+11,5

73,9+10 69,8+22 6+0 (f)

91 98

91 91 Örnek Madde Ürün

(Çözücüler; b: metanol, c: su, d: aseton, katalizör e: TS-1, f: Ti-ZSM-5)

Tablo 1.1.2.4 Elektron verici gruplara sahip piridin N-Oksitlerin sentezi

N

N CH₃

N

CH₃

N CH₃

N OH

N

N

O

N O

N CH₃

O

N

CH₃

O

N OH

O

N CH₃

O

N

O

N O

Örnek Madde Ürün Zaman(saat)

16 (b) 2,5 (c)

5,0 (b) 24 (c)

6,0 (b) 24 (c)

0,5 (b) 24 (c)

25 (b) --

24 (b) --

24 (b) --

Verim(%)

91,9 (d) 92,9 (d)

92,9 (e) 29,9 (d)

95,7 (e) 31,9 (d)

94,8 (e) 28,9 (d)

91,9 (d) --

34,6 (f) --

51,8 (f) --

(çözücüler; b: metanol, c: su, katalizör d: TS-1, e: Ti-ZSM-5, f: Ti-MCM)

Organik çözücülerde Ti-ZSM-5 katalizörü; elektron verici gruplarda çok iyi sonuçlar vermesine rağmen elektron eksiltici gruplardaki sonuçları yeteri kadar başarılı değildir. Susuz (metanol/aseton ortamlarında ise TS-1 katalizörü tekrar tekrar kullanılmasına rağmen çok iyi sonuçlar vermiş ve sonuçlar Tablo 1.1.2.5’de gösterilmiştir.

Tablo 1.1.2.5 TS-1 katalizörünün 4-siyanopiridin N-Oksit eldesindeki kullanımı xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Örnek Katalizör dengesi Zaman(saat) Molar verim % 1 1.defa 2,5 89,8(1) 2 2.defa 2,5 89,8(1) 3 3.defa 2,5 89,8(1) 4 katalizörsüz 3 9,0

TS-1 (Si/Ti =33)’in aktifliğinin yüksek olmasının sebebi, birim hacimdeki izole edilmiş Ti aktif merkezlerinin sayısının fazla olması şeklinde açıklanmıştır (Şekil 1.1.2.3).

Ti

SiO OSi

OSi OSi

Ti SiO

OSi OSi

O O

H SiO Ti

OSi OSi

O O

+ SiOH²

N R

N R

O Ti O SiO SiO SiO

+ SiOH²

SiO SiO Ti

SiO O +

N O

R

Şekil 1.1.2.3 TS -1 katalizörü

1.1.3 Piridin N-Oksit ve Türevlerinin Deneysel pKa Değerleri

Chmurzyinski’nin (1996) sübstitüe piridin N-Oksitlerin çeşitli çözeltilerdeki asit-baz özelliklerinin korelasyonu çalışmasında, sulu ve susuz ortamlardaki birçok asit değerlendirildiğinde, pK_a değerleri arasında belirli bir korelasyonun olmadığını gözlemlemiş, aynı tür asitler incelendiğinde ise korelasyonun oldukça yüksek olduğu görülmüştür. Yapılan deneyler sonucunda korelasyon yönünde en iyi sonuçlar yalnızca sübstitüentin cinsi değişen homolog asit serilerinde belirlenirken, sübstitüsyonun pozisyonuna da önemi anlaşılmıştır.

Chmurzyinski deneylerini çeşitli susuz ortamlarda gerçekleştirmiş ve Tablo 1.1.3.1 ve Tablo 1.1.3.2’de ki sonuçları elde etmiştir.

Tablo 1.1.3.1 Protofobik aprotik çözcülerdeki protonlanmış sübstitüe piridin N- Oksitlerin pK_a değerleri (298°K)

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx N-Oksit AN PC NM AC 4NMe₂PyO 15,63 12,83 -- 11,65 4MeOPyO 12,28 10,89 11,33 -- 4PicO 11,00 9,91 9,61 6,39 3PicO 10,31 8,96 8,90 5,73 2PicO 10,23 8,63 8,84 5,40 PyO 10,04 8,55 8,66 5,11 4ClPyO 9,05 -- 7,56 -- 4CNPyO 6,28 5,32 -- 4,34 4NO₂PyO 5,64 4,71 4,93 2,78 3Br,4NO₂PyO 5,19 -- 4,15 0,33

Çözücüler; AN; asetonitril PC; propilen karbonat NM; nitrometan AC; aseton Maddeler: 2-3-4- PicO: 2-3-4-metil piridin

Tablo 1.1.3.2 Protofilik aprotik çözücüler ve amfiprotik metanol çözücülerinde protonlanmış sübstitüe piridin N-Oksitlerin pK_a değerleri (298°K)

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx N-Oksit DMF DMSO MeOH H2O MeOPyO 4,15 3,53 4,69 2,04 4PicO 3,14 2,43 3,50 1,19 3PicO 2,33 1,95 2,91 1,08 2PicO 2,20 1,68 2,80 1,02 PyO 1,68 1,63 2,69 0,79 4ClPyO 1,76 -- 2,05 0,33 4NO2PyO -- -- -- -1,70

Çözücüler; DMF: N-N dimetilformamid, DMSO: dimetilsülfoksit, MeOH: metanol, H₂O: su

Yapılan bu çalışmalar sonucunda elde edilen veriler ışığında 4 temel genelleme yapılabilir;

1) Ortamdaki bazlık sırası sübstitüent etkisi ile ilgilidir,

2) Bu çözücülerde çalışılan N-Oksitler, sudakine göre daha baziktirler,

3) Çalışılan çözücülerde piridin N-Oksitler tarafından oluşturulan katyonik asitlerin kuvvetlilik sıralaması;

AN< BN< PC< NM< AC< MeOH< DMF< DMSO

Çözücülerin bazlık kuvvet sıralaması ise biraz farklılık gösterir;

NM< BN< AN< PC< AC< MeOH< DMF < DMSO

Katyonik asitlerin kuvvetliliği ile çözücülerin bazlık sıralamasındaki bu farklılığın sebebi susuz ortamlardaki katyonik asitlerin kuvvetliliğinin yalnızca ortamın bazlığı tarafından belirlenmeyip, elektrostatik etkiler, çözünürlük, London kuvvetleri, iyon-çifti etkileri ve hidrojen bağları gibi diğer faktörlerden de etkilenmesidir.

2. ASİTLER ve BAZLAR

Asitler ve bazlar kimyanın en önemli konularından biridir, çünkü kimyasal reaksiyonların çoğu asit baz reaksiyonudur. Asit-baz kimyasının temel prensipleri gözden geçirilirse kimyasal reaksiyonlar hakkında daha detaylı bilgiler elde edilebilir.

Özellikle organik kimyada meydana gelen reaksiyonların bir kısmında asit-baz etkileşmesi görülebileceği gibi birçoğu direkt olarak asit-baz reaksiyonudur. Bu yüzden asit-baz reaksiyonları, kimyacıların bir reaksiyonun mekanizmasını anlayabilmesi için çok temel bir örnektir. Kimyagerler bu reaksiyonları inceleyerek bağ kırılmalarının ya da yeni bağ oluşumlarının mekanizması hakkında fikir yürütebilirler.

Reaksiyon dengeye ulaşırken ne kadar ürün oluştuğunu ya da oluşabileceğini tahmin etmede bazı termodinamik özelliklerin nasıl kullanılabileceği hakkındaki ipuçları, asit-baz reaksiyonlarının, molekül yapısı ile molekül reaktifliği arasında nasıl bir ilişki bulunduğunu açıklanarak elde edilebilir. Ayrıca asit-baz reaksiyonları çözücülerin kimyasal tepkimelerde ne gibi rollere sahip olduğunu da ortaya koyar, organik sentezler hakkında detaylı bilgiler verir (Solomons, 1996).

Asit-baz reaksiyonlarının bu önemi, öncelikle literatürde yer alan asit-baz tanımları üzerinde durulmasını gerektirir.

2.1. Arhenius Asit-Baz Tanımı

Arhenius, asit-baz tanımını, suyun iyonlaşma dengesini temel alarak 1883 yılında yapmıştır (Ebbing. 1993).

Suyun iyonlaşması:

H₂O → H⁺ + OH¯ şeklindedir.

Suyun iyonlaşması için denge bağıntısı K_su= [H⁺].[OH¯] biçiminde yazılabilir.

25°C için K_su=1.01xlO^-14’tür.

Eğer ortamda;

[H⁺] > [OH¯] ise çözelti asidik, [H⁺] = [OH¯] ise çözelti nötr, [H⁺] < [OH¯] ise çözelti baziktir.

Yukarıdaki ifadelerde görüldüğü üzere, Arhenius tanımı, hidroksit grubu veren her maddeyi baz, sulu çözeltiye proton veren her maddeyi ise asit olarak sınıflandırmıştır. Bu tanıma göre asit molekülü kesinlikle hidrojen, baz molekülü ise hidroksit taşımakta olup HCl, HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₃ gibi maddeler asit; Ca(OH)₂, KOH ve NaOH gibi maddeler ise baz özelliği gösterir.

Ancak sulu çözeltilerde asit-baz özelliği gösteren CO₂, SO₃, NH₃ gibi maddelerin bu özelliklerini açıklamada, Arhenius’ un bu tanımı yeterli değildir.

(Demirtaş, 2003).

2.2. Lowry-Bronsted Asit-Baz Tanımı

Lowry-Bronsted teorisine göre, proton verebilen madde asit, proton alabilen madde bazdır.

Bu reaksiyonda hidrojen klorür bir protonunu suya verirken su da bir protonu kabul etmiştir. Sonuç olarak, reaksiyonda oluşan hidronyum iyonu (H₃O⁺) ile klorür iyonudur (Cl¯).

Lowry-Bronsted asit-baz teorisi, asidin konjuge (eşlenik) bazını, o asidin proton kaybetmesi sonucu oluşan molekül veya iyon olarak tanımlamıştır. Bir bazın proton alması sonucu oluşan molekül veya iyona ise bir bazın konjuge (eşlenik) asidi denir. Yukarıdaki reaksiyona göre hidronyum iyonu suyun konjuge asidi, klorür iyonu ise HCl’nin konjuge bazıdır.

Protonunu tamamen transfer eden diğer kuvvetli asitler;

HI+ H₂O H₃O⁺ + I¯

HBr + H₂O H₃O⁺ + Br¯

H₂SO₄ + H₂O H₃O⁺ + HSO^4-

HSO₄¯ + H₂O H₃O⁺ + SO₄^2-

şeklinde yazılabilir.

H₂SO₄ gibi iki proton transfer edebilen maddelere diprotik asitler denir.

Aşağıdaki genel ifade bu olayı açıklayabilir.

HA + B HB⁺ + A^- Asit₁ Baz₂ Asit₂ Baz₁

Yukarıdaki örneklerde görüldüğü gibi asitler ve bazlar pozitif, negatif yüklü veya nötr olabilirler. Bir molekül ya da iyon, herhangi bir reaksiyonda asit ya da baz olarak yer alabilir (Solomons, 1996).

2.3. Lewis Asit-Baz Tanımı

1923 yılında, asitleri elektron çifti alabilen maddeler, bazları ise elektron çifti verebilen maddeler olarak tanımlayan Lewis, asit-baz teorisini büyük ölçüde genişletmiştir.

Lewis’e göre asit protondan ibaret değildir. Asit özelliğini başka maddelerde gösterebilir. Örneğin, AlCl3 ve BF3’ün amonyak ile reaksiyonu da aynı protonun reaksiyonu gibidir.

H+

+ NH₃ H NH3

+ Lewis Asidi Lewis Bazi

Cl Al

Cl Cl

+ NH3

Cl

Cl

Cl Al NH3

+

B F

F

F + NH3 B

F

F

F +NH3

Lewis Asidi Lewis Bazi

Lewis Asidi Lewis Bazi

Örneklerde görüldüğü üzere, BF₃ ve AlCl₃, amonyağın elektron çiftini alarak azotla kovalent bağ oluşturur. Bu kovalent bağ, alüminyum ve boron atomlarının elektron eksikliği hissetmelerinden yani 6’şar elektrona sahip olmalarından dolayı oluşmaktadır. Bu atomlar birer elektron çifti kabul ederek oktete ulaşırlar. Elektron çifti kabul ettikleri için de Lewis asidi olarak adlandırılırlar.

Lewis' in baz kavramı, Lowry-Bronsted teorisine çok benzer. Çünkü Lewis’e göre de bir bazın proton alabilmesi için elektron vermesi gerekir (Solomons, 1996).

Lewis asitleri, 3 ana gruba ayrılır:

1. e ¯ çifti alabilen bütün katyonlar.

2. Değerlik orbitallerinde e¯ eksikliği olan ve merkez atomun koordinasyon sayısını arttırabildiği maddeler.

3. Merkez atomunda bir ya da birden çok sayıda çoklu bağı olan moleküller (SO₃, CO2 gibi).

Lewis bazları da 3 ana grupta incelenebilir:

1. Bütün anyonlar.

2. Ortaklanmamış e ¯ çifti bulunduran maddeler (su, alkol, eter gibi).

O H

R + ZnCl₂ O

H

R + ZnCl- ₂

3. Metal iyonları ile kovalent bağ oluşturabilen alken ve alkinler.

2.4. Asit ve Bazların Kuvvetliliği: Ka ve pKa

2.4.1. Asitlik Sabitleri

Kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi sırasında bir denge söz konusudur. Bu dengeyi açıklamaya yarayan bir denge sabiti söz konusudur. Bu sabit reaksiyonun ne ölçüde yürüdüğünü gösterir. "K" ile gösterilen denge sabiti, "M" ile gösterilen ve derişim değerlerinin molarite edildiği aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır.

Ürünlerin konsantrasyonları, M K=

Tepkimeye giren bileşiklerin konsantrasyonları, M

Asetik asit, HCl, H₂SO₄ gibi kuvvetli asitlere göre zayıftır ve sulu çözeltisinde meydana gelen tepkime bir denge tepkimesi olduğundan denge sabitiyle tanımlanabilir.

CH₃ O

OH

+ H₂O

CH₃ O

O- + H₃O +

25°C’de 0,1 M’lik asetik asit çözeltisiyle yapılan deneyde, asetik asit moleküllerinin sadece %1’inin protonlarını suya transfer etmiştir. Asetik asit suda tam olarak iyonlaşmadığından bir denge sabiti yazılması gerekir.

[H₃O⁺] [CH₃COO^-] K_denge =

[CH₃COOH] [H₂O]

Suyun konsantrasyonu sabit olacağından yeni bir denge sabitinin yazılması gerekir. Bu yeni denge sabitine K_a (asitlik sabiti) denir.

[H₃O⁺] [CH₃COO^-] K_a=K.[H2O]=

[CH3COOH]

Asetik asit için 25°C’de ki K_a= 1,76x10^-5’tir (Solomons, 2002). Suda çözünen zayıf asitler için bu denge;

HA + H₂O H₃O⁺ + A^-

biçiminde yazılabilir. Denklemde ürün derişimleri payda, ayrışmamış asit derişimi ise paydadadır. Bu nedenle K_a’nın büyük değerleri asidin kuvvetli olduğunu, küçük K_a değerleri ise asidin zayıf olduğunu belirtir. Kimyacılar genelde asitlik sabitini, K_a’nın negatif logaritması olarak, pKa ile ifade ederler.

pKa = -log Ka

Çözeltideki hidronyum iyon konsantrasyonunun negatif logaritması alınırsa,

pH= -log [H₃O⁺]

eşitliği elde edilir. Asetik asit için literatürdeki pK_a değeri 4,75 olarak verilmiştir (-log 1,76x10^-5). Bu eşitlikten de anlaşılacağı üzere yüksek bir pK_a değeri büyük olması o asidin zayıf bir asit olduğunu ifade eder (Fessenden, 1990).

CH₃COOH < CF₃COOH < HCl pK_a 4,75 0 -7 Asitlik kuvveti artar

Tablo 2.4.1.1 Bazı asit ve eşlenik bazlarının kuvvetliliği

Kuvvetli asit Asit Yaklaşık pK_a Konjuge baz Zayıf baz

HSbF6 >-12 SbF6-

HI -10 I^-

H₂SO₄ -9 HSO₄^-

HBr -9 Br^-

HCl -7 Cl^-

C₆H₅SO₃H -6,5 C₆H₅SO₃^-

H₃O⁺ -1,74 H₂O

HNO₃ 1,4 NO₃^-

CF₃CO₂H 0,18 CF₃CO₂^-

HF 3,2 F^-

CH₃CO₂H 4,75 CH₃CO₂^-

NH₄⁺ 9,2 NH₃

C6H5OH 9,9 C6H5O^-

CH₃NH₃⁺ 10,6 CH₃NH₂

H₂O 15,7 OH^-

CH₃CH₂OH 16 CH₃CH₂O^-

(CH3)3COH 18 (CH3)3CO^-

C₂H₂ 25 C₂H^-

H₂ 35 H^-

NH₃ 38 NH₂^-

C₂H₄ 44 C₂H₃^-

C₂H₆ 50 C₂H₅^-

Zayıf asit Kuvvetli baz

2.4.2. Bazlık Sabitleri

Zayıf bir baz, aynı zayıf bir asitte olduğu gibi, su ile reaksiyona girdiğinde bir denge oluşur. Bu tepkimenin denge sabitine bazlık denge sabiti, K_b denir. Bazlık kuvveti arttığında pK_b değeri azalır, K_b değeri artar. pK_b değeri ne kadar küçük ise, baz o kadar kuvvetlidir. pK_b değeri K_b değerinin eksi logaritması olarak ifade edilir (Fessenden, 1990).

Asitlik kavramındaki “asit ne kadar kuvvetli ise, onun konjuge bazı da o kadar zayıftır” cümlesinden faydalanılarak bir bazın kuvvetliliği ve zayıflığı belirlenebilir.

Bir bazın kuvvetini, onun konjuge asidinin pK_a değeri ile ilişkilendirebiliriz.

Konjuge asidin pK_a’sı ne kadar büyükse baz o oranda kuvvetlidir ( Solomons, 2002).

Bazlık kuvveti artar

Cl^- CH₃COO^- OH^-

Konjuge HCl CH₃COOH H₂O

Asitin pK_a değeri (-7) (4,75) (15,7)

2.5. Asitlik ve Bazlık Sabitlerini Etkileyen Faktörler

Asit baz reaksiyonları tersinirdir ve denge konumunda kararlı denge ürünleri daha fazla bulunmaktadır. Kısaca ayrışmamış bir asidin ve eşlenik bazının göreceli kararlılığı asitlik kuvvetini etkiler. Asitlik ve bazlığı etkileyen faktörleri aşağıdaki gibidir.

• Çözücü etkisi

• Elektronegatiflik

• Büyüklük

• Hibritleşme

• İndüktif etki

• Rezonans etki

• Sterik etkiler

2.5.1. Çözücü (solvent) Etkisi

Çözücünün özellikleri, organik bileşiklerin asitlik ve bazlıklarını belirler. Bir çözücü de iyonlaşma şunlara bağlıdır.

• Çözücünün dielektrik sabitine,

• Çözücünün, çözünenin iyonlarını sarma ve onları çözeltiye çekme (solvasyon) özelliğine,

• Çözücünün asitliği veya bazlığına

Alkollerin dielektrik sabitleri suyunkinden çok küçüktür. Bu nedenle, asitlik sabitleri, alkoller içinde sudakilere göre 10000-100000 defa daha küçüktürler. Buna karşın, sıvı amonyağın çözdüğü asitler daha çok iyonlarına ayrışır, çünkü amonyak sudan daha bazik özelliğe sahiptir. Bunun yanında asetik asit sudan daha asidik olduğundan, içindeki asitlerden sadece birkaçı tamamen iyonlaşır (Gündüz, 1993).

2.5.2. Elektronegatiflik

Bir asitten protonun ayrılabilmesi ve bir baza aktarılabilmesi, o asidin kuvvetini belirler. Bu noktada protonun olduğu bağın kırılması ve konjuge bazın elektriksel olarak daha negatif yapılması gerekir. Örneğin, H-X maddesindeki bağ ne kadar kuvvetli olursa hidrojenin kopması o kadar zorlaşacak ve ortamın asitliği de o kadar azalacaktır.

H-F H-Cl H-Br H-I

pK_a=3,2 pK_a=-7 pK_a=-9 pK_a=-10

Asitlik artar

Bir asidin kuvvetliliği artarsa, o asidin konjuge bazının kuvvetliliği azalır.

F^- Cl^- Br^- I^- Bazlık artar

Atomların bağ elektronlarını çekme gücü, elektronegatifliği yüksek olanlarda daha fazladır. Negatif yüklü atomun elektronegatifliği ne kadar fazla olursa, anyonu da o kadar kararlı yapar (Solomons, 2002).

Elementlerden periyodik cetvelde aynı yatay sırada olanların asitlikleri soldan sağa doğru artış gösterir. Buradaki belirleyici faktör, hidrojene bağlı atomun elektronegatifliğidir. Örneğin; H-A ve H-B asitlerini inceleyelim.

H^δ+ - A^δ- H^δ+ - B^δ- olur.

H-B asidindeki hidrojenin kısmi pozitifliğinin H-A’dakin den daha az olduğu görülür. Bu durumda H-A’da ki H⁺ ortama daha kolay verilir. A¯ daha negatif durumdadır. Dolayısıyla; HA, HB’den daha kuvvetli asittir.

Asitlik artar

CH3 ^δ- - H ^δ+ NH ^δ- - H ^δ+ HO ^δ- - H ^δ+ F ^δ- - H ^δ+

pK_a 48 38 15,7 3,2

2.5.3. Hibritleşme Etkisi

Organik bir asidin asitliği; sp³, sp² veya sp hibrit orbitaline sahip olmasına göre değişir. Karbon atomundaki hibritleşme incelenerek hibritleşmenin etkisi daha iyi anlaşılabilir. 2s orbitallerinin elektronları 2p orbitallerinin elektronlarından daha düşük enerjilidir. Çünkü 2p orbitallerindeki elektronlar çekirdeğe daha uzak kalmışlardır.

Bundan dolayı melez orbitallerinin daha fazla s karakterine sahip olması, anyonun elektronlarının daha düşük enerjili olacağını ve anyonun daha kararlı olacağını gösterir (Solomons, 2002).

Hibrit orbitallerdeki s karakterinin fazla olması nedeniyle anyonun daha az enerjili, daha kararlı olduğu sonucuna ulaşılmıştır (Solomons).

C₂H₂ C₂H₄ C₂H₆ Etin Eten Etan Hibritleşme sp sp2 sp3

s karakteri %50 %33 %25 pKa 25 44 50 Asitlik C₂H₂ > C₂H₄ > C₂H₆ Bazlık C₂H₅ > C₂H₃ > C₂H^-

2.5.4. İndüktif Etkiler

Hidrojeni taşıyan molekül dışında, asitliğe etki eden unsurlardan biri de indüktif etkilerdir. İndüktif etkileri daha iyi anlayabilmek için C₂H₆ ve C₂H₅F moleküllerini inceleyelim:

Etan Etil Florür

CH3-CH3 CH3δ+ CH2δ+ F^δ-

Apolar Polar

2 1

F atomunun elektronegativitesi fazla olduğundan elektronları kendisine çeker ve kısmi negatif (δ-) yüklenir, diğer kısım ise kısmi pozitif (δ⁺) olur. Cı atomu C₂ atomuna göre daha pozitif yükle yüklenmiştir çünkü florüre daha yakındır. Cı ve C₂ arasındaki bağda meydana gelen δ⁺ yükten dolayı bu iki C atomu arasında bir polarizasyon oluşur. Bu etki indüktif etki olarak adlandırılır.

İndüktif etki elektron çekici veya elektron itici olabilir. Sübstitüentin uzaklığı da indüktif etkide belirleyici olabilir. Sübstitüentin uzaklığı arttıkça indüktif etki azalır.

Molekülde elektron çekici grupların komşu atomda oluşturduğu kısmi pozitif yük asidi kararsız yaparken, anyonun kararlılığını arttırır. Yani elektron çeken gruplar asitliği arttırırken, bazlığı azaltırlar. Elektron iten gruplar ise bazlılığı artırıp, asitliği azaltırlar.

Elektron veren (itici) gruplar, elektron çeken grupların aksine anyonun kararlılığını azaltırlar böylece elektron çeken grupların tam aksi bir etki yaparlar. Bazı elektron çekici ve verici gruplar Tablo 2.5.4.1’de gösterilmiştir (Erdoğdu, 2003).

Tablo 2.5.4.1 Elektron verici ve elektron çekici bazı gruplar Elektron çekici gruplar Elektron verici gruplar

-NO₂ -NH₂

-Cl -OCH₃

-Br -OC₂H₅

-COR -CH₃

-CH₂

Asetik asit - Kloroasetik asit karşılaştırması bu olaya örnektir.

CH₃CO₂H ClCH₂CO₂H

Asetik asit Kloroasetik asit

pK_a= 4,75 pK_a= 2,81

Klor atomunun elektronegatifliği nedeniyle, kloroasetik asit, asetik asitten daha kuvvetlidir. İyonlaşmış asitte Cl atomunun elektron çekmesinden dolayı, karbonunda pozitif yük oluşur. Böylece komşu iki atomda pozitif yük oluşur ve yüksek enerjili bir yapı meydana gelir. Karboksil grubuna yakın konumdaki elektronegatif gruplar, asidin kararlılığını azaltarak ve anyonun kararlılığını arttırarak, asitlik kuvvetini arttırırlar.

2.5.5. Rezonans Etkiler

Rezonans teorisine göre; molekül ve iyonlar birden fazla eşdeğer rezonans yapıyla gösterilebiliyorsa rezonans kararlılığına sahiptirler (Solomons, 2002).

Elektriksel yükleri ya da elektronları delokalize olmuş sistemler, lokalize sistemlere kıyasla daha kararlıdır, π elektronlarının delokalize olması yapıyı kararlı kılar. Anyonun kararlılığındaki ve dolayısıyla asidin asitlik gücündeki artış eşlenik bazdaki π elektronlarının delokalize olması sonucu gerçekleşir.

OH OH COH O

Sikloheksanol Fenol Sikloheksankarboksilli asit pK_a= 18 pK_a= 10 pK_a= 4,9

Sikloheksanol bu üç örnek bileşikten en zayıf olan asittir. Çünkü eşlenik bazında negatif yük oksijen üzerinde lokalizedir.

Halbuki fenolün eşlenik bazı rezonans kararlıdır. Aromatik halkadaki π bulutu negatif yükü delokalize eder ve böylece fenol sikloheksanolden daha asidik olur.

Bu 3 asitten en asidik olanı sikloheksankarboksilli asittir. Fenolün eşlenik bazı gibi, bu asit de rezonans kararlıdır. Ancak negatif yük, bu asidin eşlenik bazında iki oksijen atomuna dağılmıştır. Oysa fenolün eşlenik bazında negatif yükü paylaşan atomlardan yalnızca biri oksijendir. Bu nedenle bu 3 asitten en asidik olanı sikloheksankarboksilli asididir (Kalafatçıoğlu, 2005).

Asetik asit Asetat anyonu

C H₃C

O H

O

+ H₂O H₃C C

O

O- + H₃O+

C H₃C

O O- C

H₃C

O H

O- +

Küçük rezonans kararlılığı Daha büyük rezonans kararlılığı

Alkol ve anyonu için rezonans kararlılığı söz konusu değildir (Solomons, 2002).

CH₂

H₃C O H + H₂O H₃C CH₂ O-

+ H₃O+

2.5.6. Sterik Etkiler

Proton küçük bir iyondur ve bir molekülden diğer bir moleküle bağlanması her iki molekül için de önemli bir hacim değişikliği yaratmaz. Bu sayede de bir bileşiğin birincil, ikincil veya üçüncül olması durumundaki asitlik ve bazlıkları birbirine yakınlık gösterir. Bu nedenle asit-baz reaksiyonları sterik etkilere çok duyarlı değildir. Ancak protonun ayrılması sonunda oluşan anyonun çözücü tarafından iyi solvatize edilmemesi, sterik olarak çok engelli bir bileşikte dolaylı bir sterik engel oluşturarak asitlikte azalmaya neden olur (Solomons, 1996).

CH₃COOH

C H₃C

CH₃

CH₃

CH₂ C C

CH₃

COOH

H₃C CH₃

CH₃

pK_a=4,76 pK_a=7,00

(%50 H₂O, %50 CH₃OH)

2.5.7. Büyüklük

Negatif yük, hacmi büyük olan atomlar tarafından, küçük atomlara göre daha iyi dağıtılırlar. Anyonun kararlılığı, yük dağılımının fazla olmasıyla artar. Büyüklüğün etkisi elektronegatiflikten daha önemlidir. Kükürt atomunun elektronegativitesi 2,5 oksijen atomunun elektronegativitesi 3,5 olmasına rağmen, H₂S sudan daha asidiktir (Badger, 1961). HF asidi de bu duruma örnek olarak verilebilir. F atomu en elektronegatif halojen olmasına rağmen diğer halojenli asitler içinde asitlik kuvveti en az olan HF asididir.

F^- Cl^- Br^- I^-

İyon yarıçapı artar

H-F H-Cl H-Br H-I Asitlik artar

pK_a= 3,2 -7 -9 -10

2.6. Asitlik Sabitlerinin Kullanım Alanları

Asitlik sabitleri çok geniş alanlarda kullanılırlar. Maddenin yapısı, özellikleri, tautomerik durumu, elde edilmesi ve girebileceği reaksiyonlar ile asitlik sabiti arasında yakın bir ilgi vardır (Yarlıgan, 2001). Asitlik sabitleri, bir molekülde bulunan iyonlaşabilen grupların varlığını ve özelliklerini saptamak için kullanılmış, fakat bu uygulama modern yapı aydınlatma yöntemlerinin yaygın olarak kullanılmaya başlamasından sonra azalmıştır (Cookson, 1974).

Asidik veya bazik özelliğe sahip bir molekülün sterokimyasal yapısının belirlenmesinde ve konformasyonel analizlerinde, asitlik sabitleri kullanılır. Organik reaksiyonlarda elektrofilik veya nükleofilik atağın yönü ve kuvveti, ara ürünlerin kararlılığı ve gerekli aktivasyon enerjisinin büyüklüğü hakkında yararlı bilgiler verirler.

Biyokimyada, enzimlerin aktif merkezlerinin saptanmasında kullanılan maddelerin proton alma ve verme sabitlerinden yararlanılır (Yarlıgan, 2001).

İlaç amacıyla kullanılan maddelerdeki moleküllerin zarlardan geçişi, reseptörlere bağlanması, dağılması ve taşınımı gibi olaylarda iyonlaşma sabitlerinin büyük etkisi vardır, çünkü ilaçlarının çoğu zayıf asit veya baz özelliği gösterir. Zayıf asit ve bazların sulu ortamda iyonize olma oranları, ortamın pH’sı ve asitlik sabitleri ile ilgilidir (Öğretir ve Demirayak, 1985; Öğretir, 1979).

2.7. Nükleofil ve Baz

Güçlü bir baz, aynı zamanda iyi bir nükleofildir. İyon ya da molekülün polarlanabilirliği nükleofilliği etkiler. Küçük atomların dış elektronları çekirdeğe yakındır ve büyük atomlarınkine göre daha çok çekilirler. Bu nedenle büyük atomların dış elektronları pozitif merkezler tarafından daha kolay çekilerek pozitif merkeze daha kolay etkiyebilirler. Örneğin iyodür, klorürden daha iyi bir nükleofıldir (Fessenden, 1990).

Aşağıdaki tümevarımlar, bir nükleofilin kuvvetliliğini ya da zayıflılığını diğerleriyle karşılaştırabilmemizi sağlar.

1. Eksi yüklü iyonlar daha iyi elektron verici ve karşılık gelen nötr moleküllerden daha güçlü nükleofildirler.

HO^- >HOH RS^- > RSH

RO^- > ROH RCOO^- > RCOOH

2. Periyodik tabloda aynı sütunda olan elementlerden alt kısımda yer alanlar üsttekilere göre daha güçlü nükleofil olarak davranırlar.

HS^- > HO^- I^-> Br^-> Cl^-> F^-

RSH> ROH (CH₃)₃P: > (CH₃)₃N

3. Periyodik tabloda aynı periyotta olan elementlerden daha elektronegatif olanlar daha zayıf nükleofil olarak davranırlar (Hart. Craine and Hart, 1998).

C R R

R

- >

R N R

- > R O- > F-

H₃N > H₂O > HF

2.8. Denge Sabiti (K) ve Standart Serbest Enerji Değişimi ∆G° Arasındaki İlişki

Genel olarak ∆G° = -2.303 RT / log K olarak ifade edilir.

R: gaz sabiti (1.987 kal.K^-1x mol^-1) T: sıcaklık birimi (°K)

Bu denklemde K >1 iken, ∆G°’nin negatif değer alması reaksiyon dengeye ulaşırken ürün oluşumunun daha baskın olduğunu ifade eder. Örneğin ∆G°≤-3 kkal.mol¯¹ ise denge durumuna ulaşıldığında girenlerin neredeyse tamamının ürünlere dönüştüğü anlaşılır.

K <1 iken ise; ∆G°’nin pozitif değer alması denge durumuna ulaşıldığında girenlerin daha baskın olduğunu gösterir.

Standart serbest enerji değişimi ∆G° iki değişkene bağlı olarak farklılık gösterir:

∆H° : Entalpi değişimi

∆S° : Entropi değişimi

∆G° = ∆H° - T∆S°

∆H°, reaksiyonda oluşan ve kopan bağların kuvvetliliğine bağlı olarak değişir.

Sistemde oluşan bağlar, kopan bağlara göre daha kuvvetli ise, sistemin entalpi değişimi

∆H° < 0 olur ve sistem ekzotermik olarak ifade edilir. Tersi durumda ise (∆H° > 0) sistem endotermik olarak ifade edilir.

∆H° değerinin negatif değer alması, ∆G°’nin de negatif olmasına neden olur.

Böylece, reaksiyon ürünler lehine baskın hale gelir. İki farklı asidin iyonlaşması düşünüldüğünde, ∆H° değeri daha negatif olanın, daha iyi iyonlaşmış olduğu ve daha kuvvetli asit olduğu anlaşılır.